5G遠端干擾分析與解決方案研究

李玉潔

工程與應(yīng)用

5G遠端干擾分析與解決方案研究

李玉潔

（中國電信股份有限公司山東分公司，山東 濟南 250101）

遠端干擾主要來源于大氣波導傳播，是造成大氣波導現(xiàn)象高發(fā)地區(qū)5G NR移動通信網(wǎng)絡(luò)性能劣化的原因之一。在分析研究時分雙工無線網(wǎng)絡(luò)遠端干擾產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，針對性地論述了兩類遠端干擾管理的方案。在大氣波導高發(fā)地區(qū)5G NR網(wǎng)絡(luò)中針對靜態(tài)增加GP（guard period）方案進行了驗證。網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)表明，改變無線時隙子幀格式，增加隔離符號可以有效地避免遠端干擾，提升全網(wǎng)性能。

5G NR；遠端干擾管理；熱噪聲干擾；參考信號

0 引言

遠端干擾主要源于低空大氣波導現(xiàn)象造成的電磁波超遠距離傳輸。在一定氣象條件下，大氣近地層中形成具有一定厚度的大氣薄層，電磁波在該層中傳播時衰減小，接收機接收到的信號功率往往比正常情況高數(shù)倍[1-2]。時分雙工（time division duplexing，TDD）無線網(wǎng)絡(luò)中，上、下行鏈路采用同一載頻，大氣波導現(xiàn)象出現(xiàn)時，遠端基站的下行信號經(jīng)數(shù)十或數(shù)百千米的超遠距離傳輸后仍具有較高強度。當該下行信號落入近端基站上行信號接收窗口時，會對近端基站的上行鏈路造成干擾，使上行鏈路的接收信干噪比（signal to interference plus noise ratio，SINR）下降，這就是遠端干擾[3-4]。

遠端干擾是TDD系統(tǒng)特有的現(xiàn)象。早在 2010年，文獻[5]指出TD-LTE（time division-long term evolution）系統(tǒng)會面臨遠端干擾問題，提出了可采用修改隨機接入信道格式、特殊時隙自動配置和調(diào)整天線下傾角等方案解決其遠端干擾問題。2017年，文獻[4]探討了大氣波導對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的影響，提出可通過提高上行鏈路的質(zhì)量抑制遠端干擾，改善網(wǎng)絡(luò)性能，并選擇3個基站做了驗證。2019年，3GPP針對同步的TDD 5G NR網(wǎng)絡(luò)遠端干擾問題，在3GPP Rel-16中提出了遠端干擾管理（remote interference management，RIM）的概念，并給出了TDD 5G NR網(wǎng)絡(luò)動態(tài)RIM的3類實施建議[6]。2021年，文獻[3]通過仿真實驗，驗證了調(diào)整天線下傾角抑制5G NR網(wǎng)絡(luò)遠端干擾方案的可行性。同年，文獻[7]給出了如何在5G NR網(wǎng)絡(luò)的物理層利用參考信號（reference signal，RS）檢測大氣波導引發(fā)的遠端干擾問題。截至2022年，5G NR網(wǎng)絡(luò)RIM問題的研究集中在物理層如何準確定位遠端干擾上，如何有效實施RIM，尤其是動態(tài)RIM僅有建議，尚未查到現(xiàn)網(wǎng)實施案例和運行數(shù)據(jù)。

1 5G NR遠端干擾現(xiàn)象和原理

TDD網(wǎng)絡(luò)中，為避免上行鏈路符號和下行鏈路符號之間的串擾，會在兩者之間插入保護間隔（guard period，GP），TDD 5G NR網(wǎng)絡(luò)遠端干擾原理如圖1所示。當存在大氣波導現(xiàn)象時，遠端基站（也稱施擾站）發(fā)出的信號經(jīng)過超遠距離的傳輸，下行符號落入了近端基站（也稱為受擾站）的上行符號接收窗口內(nèi)，造成遠端基站的發(fā)送信號對近端基站接收信號的干擾，即遠端干擾。

圖1 TDD 5G NR網(wǎng)絡(luò)遠端干擾原理

遭受遠端干擾的射頻符號時域波形呈現(xiàn)斜波形狀，稱為斜波狀熱噪聲干擾（interference over thermal noise，IoT）[6]，遠端干擾的網(wǎng)絡(luò)測試IoT如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試數(shù)據(jù)繪出的無線時隙特殊（S）子幀與其相鄰上行子幀的IoT強度圖。可以看出，從符號3～10開始遭受遠端干擾，符號3～11和3～12遭受的干擾最大，之后遠端干擾逐漸下降。分析原因，發(fā)現(xiàn)受擾站遭受的遠端干擾由不同距離的多個施擾站的干擾信號累積而成，IoT成因如圖3所示。

圖3中，施擾站#1距離受擾站最遠，傳播時延最大，其下行信號影響受擾站的上行符號數(shù)最多；而施擾站#3距離受擾站最近，其下行信號僅干擾了受擾站的2個GP。

圖2 遠端干擾的網(wǎng)絡(luò)測試IoT

圖3 IoT成因

分析現(xiàn)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)得出結(jié)論，可在5G NR網(wǎng)管系統(tǒng)中檢測最后一個GP功率（單位為dBm）輔助判斷是否存在遠端干擾。當最后一個GP功率大于?107 dBm時，即可判定發(fā)生遠端干擾。

根據(jù)文獻[1-2, 8-9]，大氣波導的出現(xiàn)與大氣溫度和濕度密切相關(guān)。常常出現(xiàn)在內(nèi)陸地區(qū)的春夏和夏秋過渡期以及沿海地區(qū)的海洋大氣環(huán)境中。一旦出現(xiàn)，僅持續(xù)幾小時，從而造成位于該環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)性能時好時壞。因此如何有效地實施RIM，消除或規(guī)避遠端干擾，確保網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，引起了廣泛研究興趣，也被寫進了3GPP 5G NR的標準中[6]。

通過分析青島市5G NR網(wǎng)絡(luò)（3.5 GHz TDD系統(tǒng)）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當站點天線過高、天線下傾角過小時，易導致信號在大氣波導中超遠距離傳播。青島市獨特地理位置，瀕臨黃海，海岸線長，部分區(qū)域無高山阻擋，大氣波導現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，TDD移動網(wǎng)絡(luò)易發(fā)生遠端干擾。

2 遠端干擾對網(wǎng)絡(luò)的影響

遠端干擾導致近端基站接收SINR下降，造成掉線、接入失敗、低速率等一系列影響用戶體驗的問題。遠端干擾越強，最后一個GP功率越高，掉線率、速率等用戶感知指標越差。青島市電信5G NR網(wǎng)絡(luò)2021年8月的遠端干擾與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)見表1，可以看出，隨著干擾水平的下降，掉線率、無線接入失敗率下降，上、下行感知速率上升。極端情況下，當干擾水平≥?80 dBm時，掉線率高達37.77%、無線接入失敗率為4.51%、下行感知速率為63.25 Mbit/s，上行感知速率為0.32 Mbit/s；而干擾水平降至?110 dBm以下，上述4個指標分別為2.22%、0.88%、206.47 Mbit/s和3.48 Mbit/s，分別提高大約17、5、3和10倍以上。

表1 遠端干擾與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

3 5G NR遠端干擾管理方案

RIM方案分為靜態(tài)方案和動態(tài)方案兩類。靜態(tài)方案包括：

●修改無線幀格式，增加GP以避免遠端基站下行符號干擾近端基站上行符號；

●降低天線高度和射頻發(fā)送功率，并調(diào)整天線下傾角。

動態(tài)方案也稱為自適應(yīng)遠端干擾規(guī)避，是5G NR網(wǎng)管系統(tǒng)實時觀測GP的功率，或者通過發(fā)送RS判斷遠端干擾是否出現(xiàn)，進而采用適當?shù)倪h端干擾消除方案，以達到規(guī)避遠端干擾的目的。

3.1 靜態(tài)RIM方案

（1）增加GP以提升近端基站抗遠端干擾能力

從圖1遠端干擾產(chǎn)生的原因可以看出，若施擾站發(fā)出信號的傳播時延小于GP的時間，即可克服遠端干擾。

5G NR無線幀格式如圖4所示，圖4（a）是5G NR網(wǎng)絡(luò)（3.5 GHz TDD）無線幀格式，其中，D表示傳輸下行信號的子幀，U表示傳輸上行信號的子幀，S表示特殊子幀，作用是完成下行子幀和上行子幀的轉(zhuǎn)換和隔離。圖4（b）是S子幀的時隙格式，由連續(xù)10個D、接著2個GP、最后2個U構(gòu)成。

這種方法的缺點是D:GP:U=8:4:2的時隙符號配比不是3GPP規(guī)定的標準模式，某些廠商的設(shè)備不支持。

（2）避免信號通過大氣波導傳播，以減少干擾源

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)網(wǎng)施擾站一般為超高基站、大功率基站和下傾角較小基站等。這樣的基站存在大氣波導的環(huán)境中，極易造成信號沿大氣波導傳輸，成為可超遠覆蓋的站點。文獻[3]詳細研究了利用5G NR大規(guī)模天線陣列調(diào)整天線下傾角的RIM方案，并以瓊海海峽大氣環(huán)境為背景，通過軟件仿真驗證了該方案的有效性。

3.2 動態(tài)RIM方案

靜態(tài)增加GP可以有效地解決遠端干擾問題。但是增加GP會占用下行（或上行）鏈路資源，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。另外，大氣波導現(xiàn)象并非一直存在。在沒有大氣波導時采用具有多個GP的子幀必然造成資源浪費。動態(tài)RIM試圖解決這一問題。

2019年3月，3GPP在5G NR Rel-16中給出了宏蜂窩同步TDD 5G NR網(wǎng)絡(luò)動態(tài)RIM的3類實施方案的建議[6]。這些方案需要借助RS。方案規(guī)定RS的收/發(fā)必須位于圖1中的下行發(fā)送邊界之后和上行接收邊界之前。受擾站發(fā)出RS_1給施擾站，聲明自己遭受了遠端干擾并輔助施擾站判斷大氣波導是否仍存在；施擾站發(fā)送RS_2給受擾站，協(xié)助受擾站判斷大氣波導是否仍然存在。動態(tài)RIM的基本實施流程如下（動態(tài)RIM流程如圖6所示）。

圖4 5G NR 無線幀格式

圖5 增加GP以提高抗干擾能力示意圖

●大氣波導現(xiàn)象發(fā)生，受擾站開始遭受遠端干擾。

●受擾站觀測斜波狀I(lǐng)oT超過某一閾值（如最后一個GP功率>?107 dBm或其他指標），判定遭受遠端干擾，開始定期發(fā)送RS_1給施擾站，并啟動RS_2的檢測。施擾站檢測斜波狀I(lǐng)oT后，開始啟動RS_1監(jiān)視。

●施擾站收到RS_1后，根據(jù)RS_1判斷大氣波導造成的時延，啟動遠端干擾消除方案，如改變S子幀的時隙符號配比，根據(jù)時延大小將若干下行符號改為GP等；同時利用GP周期發(fā)送RS_2。

●若受擾站檢測到RS_2，則繼續(xù)發(fā)送RS_1，同時檢測IoT強度。一旦發(fā)現(xiàn)RS_2停止發(fā)送且IoT回到正常水平，即可判斷大氣波導現(xiàn)象消失，已無遠端干擾，停止發(fā)送RS_1。

●施擾站持續(xù)接收到RS_1期間保持遠端干擾消除方案。一旦發(fā)現(xiàn)RS_1消失（IoT回歸正常），則停止運行遠端干擾消除方案，恢復(fù)到遠端干擾消除之前的網(wǎng)絡(luò)配置狀態(tài)。

事實上，大氣波導發(fā)生時，會有大量基站既為施擾站又為受擾站，且斜波狀I(lǐng)oT是多個施擾站的干擾信號疊加形成的。因此動態(tài)RIM能否成功實施，RIM RS信號尤為重要。區(qū)別于5G NR網(wǎng)絡(luò)中用于用戶設(shè)備解調(diào)和測量的RS，RIM RS必須應(yīng)對較大的傳輸時延，因此需具備如下基本功能：

●能夠提供大氣波導是否存在的信息；

●能夠為施擾站提供受擾站有多少個上行符號受到遠端干擾的影響；

●最好能攜帶施擾站的標識。

3GPP建議采用長度為31的Gold序列（偽隨機序列）作為RIMRS，以梳狀方式插入兩個正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符號中。仿真實驗表明，這種方案檢測遠端干擾，正確檢測概率達90%以上。

動態(tài)RIM還有很多問題亟待解決。文獻[7]僅研究了在物理層如何檢測遠端干擾的算法，但是一旦檢測到遠端干擾發(fā)生或消失，如何傳遞啟動或停止遠端干擾消除的信令、采用什么樣的消除方案并確保指令的執(zhí)行，則需要操作維護管理（operation administration and maintenance，OAM）系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和調(diào)度。2019年至今，現(xiàn)網(wǎng)中如何實現(xiàn)動態(tài)RIM，未見報道。

動態(tài)RIM的實施，需要無線電接入網(wǎng)（radio access network，RAN）、接入和移動管理功能（access and mobility management function，AMF）以及OAM的協(xié)同工作才能完成。協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源、修改相關(guān)網(wǎng)元的功能，升級軟件版本，單靠運營商是無法實現(xiàn)的。

3.3 遠端干擾解決方案驗證效果評估

2021年9月，在山東省青島市對方案進行了現(xiàn)網(wǎng)驗證。分析青島5G NR現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)青島地區(qū)大氣波導現(xiàn)象發(fā)生時，遠端干擾的影響距離在30～40 km。因此，將青島全網(wǎng)S子幀的時隙符號配比從D:GP:U=10:2:2修改為D:GP:U=8:4:2，即增加2個GP，從而遠端干擾抵抗距離從21.4 km提升至42.8 km。因為減少了2個下行符號，理論上下行峰值速率會下降，下降幅度為4/90=4.4%，即峰值速率下降到50Mbit/s左右。

圖6 動態(tài)RIM流程

S子幀修改后青島電信網(wǎng)絡(luò)總體KPI改善明顯，S時隙結(jié)構(gòu)調(diào)整后的KPI變化如圖7所示?？梢钥闯?，數(shù)據(jù)流建立的成功率和無線接通率明顯提高，掉線率顯著下降。

本次調(diào)整S子幀前后，專門對青島所有區(qū)域進行了測試，修改時隙配比后全網(wǎng)小區(qū)干擾水平變化見表2。可以看出，修改前，干擾水平大于?105 dBm的小區(qū)高達6 163個，而修改后，僅剩462個。而且干擾大于?100 dBm的小區(qū)從4 928個降至101個，表明遠端干擾得到了很好的抑制。

表2 修改時隙配比后全網(wǎng)小區(qū)干擾水平變化

另外，對青島市3個區(qū)調(diào)整S子幀前后下行速率進行了測試，符號配比調(diào)整后平均下行速率變化結(jié)果見表3?？梢钥闯鋈W(wǎng)平均下行速率提升90 Mbit/s，用戶感知改善明顯。理論上，S子幀的時隙符號配比改變后，下行符號數(shù)減少，下行峰值速率應(yīng)下降50 Mbit/s左右。但是由于空口質(zhì)量變好，全網(wǎng)下行速率反而改善較多。其中，黃島區(qū)提升最大，達到125 Mbit/s。分析原因，發(fā)現(xiàn)黃島大氣波導現(xiàn)象最嚴重，調(diào)整之前受遠端干擾影響的小區(qū)最多。調(diào)整后，各小區(qū)遠端干擾下降明顯，因而速率提升最大。

圖7 S時隙結(jié)構(gòu)調(diào)整后的KPI變化

表3 符號配比調(diào)整后平均下行速率變化/（Mbit·s?1）

3.4 動態(tài)RIM性能預(yù)測與展望

盡管青島的靜態(tài)RIM方案效果良好，但是在沒有遠端干擾期間，這種增加GP的方案勢必會影響5G NR網(wǎng)絡(luò)的下行速率。青島電信聯(lián)盟5G NR網(wǎng)絡(luò)修改S子幀時隙配比正常運行半年后，本文選取山東省濰坊市奎文區(qū)和諸城市的網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)與青島市黃島區(qū)和膠州市進行了對比?？膮^(qū)與黃島區(qū)、諸城市與膠州市單位面積內(nèi)5G NR（3.5 GHz頻段）基站的數(shù)量相當，但是因濰坊的兩區(qū)市是內(nèi)陸地區(qū)，極少發(fā)生遠端干擾，故S子幀的時隙配比仍然采用D:GP:U=10:2:2。兩個地區(qū)2022年3月的用戶感知速率對比見表4，可以看出濰坊兩區(qū)市的用戶下行感知速率明顯高于青島兩區(qū)市?？膮^(qū)比黃島區(qū)高21.73%，諸城市比膠州市高29.63%。假設(shè)青島市一年內(nèi)發(fā)生大氣波導的時間累計4個月，若采用動態(tài)改變時隙配比的RIM方案，青島兩區(qū)市的用戶下行感知速率應(yīng)能提高15%左右。

表4 用戶感知速率對比

4 結(jié)束語

本文分析了TDD 5G NR網(wǎng)絡(luò)遠端干擾產(chǎn)生的原因，提出解決方案，并在山東省青島市電信5G網(wǎng)中進行了修改特殊子幀符號配比的優(yōu)化驗證。結(jié)果表明，通過減少下行符號增加GP，能夠在不影響下行速率的情況，有效地抑制遠端干擾，提升全網(wǎng)性能。

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，青島全網(wǎng)修改S子幀后，遠端干擾下降顯著。與青島比鄰的濰坊高密市、日照等城市，由于仍然采用原符號配比方案，總干擾水平上升明顯。因此，此方法的使用與推廣要考慮全省乃至全國的一致性，以確保全網(wǎng)干擾最優(yōu)。

可以預(yù)見，采用動態(tài)RIM可以更好地克服遠端干擾，提升全網(wǎng)性能。因此，今后將致力于實踐5G NR網(wǎng)絡(luò)動態(tài)RIM的解決方案，聯(lián)合電信研究院和設(shè)備制造商將動態(tài)RIM的各種方案移植到現(xiàn)網(wǎng)中，進行驗證測試，以期盡快找到具有指導性的實施方案。

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Research on remote interference analysis and solution for 5G

LI Yujie

Shandong Branch of China Telecom Co., Ltd., Jinna 250101, China

Remote interference mainly comes from the atmospheric ducting transmission. It is one of the reasons for the deterioration of the fifth-generation new radio (5G NR) mobile networks. Based on the analysis of the generation mechanism for the remote interference, two solution schemes were accordingly described for the remote interference management. The static increase GP (guard period) scheme was verified in the 5G NR network in areas with high atmospheric wares. Network operation data shows that the increasing guard period could avoid remote interference efficiently and thus improve the quality of the fifth-generation new radio networks.

5G NR, remote interference management, interference over thermal noise, reference signal

TN011

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022143

2022?02?25；

2022?06?01

李玉潔（1969? ），男，中國電信股份有限公司山東分公司高級工程師，主要研究方向為LTE和5G移動網(wǎng)絡(luò)的工程實現(xiàn)與優(yōu)化。